CN102087560B - 用于用户界面的压敏电感检测器 - Google Patents

Abstract

描述一种用于用户界面的设备，其用以电感地测量主体(1)的变形，包括至少两个层状的传导元件(3，4)，其中至少一个是AC赋能电感器(4)，其中，变形导致至少两层状元件(3，4)之间的相对轴向运动，并且最大变形距离受限制以防止损坏。

Description

用于用户界面的压敏电感检测器

本申请是申请人为：达兰.克赖特；马克.A.霍华德，申请日为：2007年6月22日，申请号为：200780001554.1，名称为：用于用户界面的压敏电感检测器的发明的分案申请。

技术领域

本发明涉及压敏检测器，特别地，涉及用于用户界面的这样一种检测器。

背景技术

按钮典型地检测通过产生或中断电接触的用户输入。这样的按钮在异物、流体或者冲击力可使得电接触失效的恶劣环境中是不可靠的。保护罩或密封声名狼藉地不可靠。

按钮的各种替代物是已知的，包括电容式的、红外线的和压电的传感器。它们都存在问题。电容式检测器受制于温度或者湿度漂移，并且通常不能区分例如用户手指和水滴。红外接触式传感器价格昂贵且在传感器和用户之间需要透明面板例如玻璃。压电传感器需要昂贵的材料和精密的装配。

也使用电感位移检测器，例如本发明人在WO2006/064234中所描述的，但是，典型地，其需要相对大的位移以便有效的接触传感。

WO2004/061759描述一种用于检测沿着与变形轴相横向的轴的变形位置的设备。其构造复杂并因此制造相对昂贵。

发明内容

本发明提供一种用于用户界面的压敏检测器，包括：第一层状的电感部件、第二层状的电感部件和弹性面板。第一电感部件和第二电感部件以面对关系安置并且相互间隔开。弹性面板安置的以便朝向或背离第二电感部件弯曲运动，并且第一电感部件安置的以便与弹性面板一起朝向或背离所述第二电感部件运动，由此，在使用中，施加到弹性面板的压力导致第一电感部件相对于第二电感部件运动，以及随后在第一和第二电感部件之间的电感耦合的变化。弹性面板具有至少500N/m的硬度，并且第一和第二电感部件的相对着的面积与第一和第二电感部件的间隔的平方的比为大于150∶1。

根据本发明，提供一种压敏检测器，其具有相对较硬的可弹性变形的弹性面板。这样，弹性面板足够结实，其可形成检测器的暴露于环境中的外表面，例如，触摸传感输入装置的键盘。但是，因为弹性面板相对较硬，所以，响应例如用户的触摸的面板的运动相对较小，这使得面板难以用作触摸传感键盘。本发明通过提供具有相对于其相互间隔非常大的重叠面积的第一和第二电感部件解决该问题。以这种方式，可检测弹性面板的甚至非常小的运动。硬的面板和电感部件的面积与间隔的大的比率的组合提供特别用作用户输入装置的非常有效的压敏检测器。

本发明，至少在其优选的实施例中，提供一种简单、结实且便宜的设备以检测弹性面板的变形。本发明对于经常需要结实的面板以便在恶劣环境中可靠地运行的用户界面特别有用，其易于清洁或强的美感，且对于用户输入检测灵敏。

第一和第二电感部件可以是能够检测弹性面板的运动的任何适当的电感部件。这样，第一和第二电感部件之一可以是发射天线，而另一个可以是接收天线，接收天线接收到的AC信号的振幅表明天线的相对间距。第一和第二电感部件可采取一个或多个收发天线的形式。

在当前优选的安置中，第一和第二电感部件之一是大的导体(bulkconductor)。在该安置中，电感部件的另一个是电感线圈(coil)。这样，大的导体接近电感线圈改变电感线圈的电感系数，由此表明大的导体和电感线圈的相互间距。借助该安置，电感的变化表明弹性面板的运动，这可以容易地结合到适当的电子检测电路中。高磁导率的材料可用作大的导体的替代物。

这实质上被认为是一种新颖的构造，并且，这样，从本发明的另一方面来看，本发明提供一种用于用户界面的压敏检测器，包括：第一大致层状的电感部件、第二大致层状的电感部件和弹性面板，其中第一电感部件和第二电感部件以面对关系安置并且相互间隔开，弹性面板安置的以便相对于第二电感部件弯曲运动，第一电感部件安置以便与弹性面板一起运动，由此，在使用中，施加到弹性面板的压力导致第一电感部件相对于第二电感部件运动，以及随后第一和第二电感部件的至少一个的电感系数变化，以及其中第一和第二电感部件之一是大的导体或者高磁导率的材料，电感部件之另一是电感线圈。

在这方面，第一和第二电感部件的相互重叠面积与第一和第二电感部件的间隔的平方的比可大于150∶1。类似地，弹性面板可具有至少500N/m的硬度。

第一电感部件可以是大的导体。第二电感部件可以是电感线圈。在该安置中，第一电感部件，其典型地最靠近检测器的外部，是不需要电力连接的无源元件。这简化检测器的构造。

大的导体典型地由金属例如铜或银组成。这样，大的导体可以是导电层，例如金属片或层。如果期望，第一电感部件可由弹性面板形成，其同样简化检测器的构造。或者，第一电感部件可安装到弹性面板。例如，第一电感部件可形成为在弹性面板上的层。第一电感部件可直接或间接安装在弹性面板上。例如，介入层例如绝缘层或者件可设置在弹性面板和第一电感部件之间。

第二电感部件可形成为沉积例如印刷在基底上的层，例如印刷电路板。弹性面板可(直接或间接)安装到基底。实际上，检测器可构造为一系列的层，其形成基底、第二电感部件、第一电感部件和/或弹性面板。这提供特别有利的构造方法，因为制造相对简单。

典型地，检测器的层例如弹性面板、第一和第二电感部件和/或基底是平的(或者平面的)。但是，这些层可以不是平的同样可行，其可以采取例如起伏不平的或者弧形的形式。

间隔层可设置在第一和第二电感部件之间。例如，间隔层可以由具有比弹性层更低的杨氏模量的材料形成。在这种情况中，间隔层可用以提供额外的弹性力到检测器外表面。间隔层可用以从第二电感部件电绝缘第一电感部件以防止短路。

在一安置中，间隔层具有形成在其中的孔，其限定检测器的传感区。这样，在所述孔的区域，弹性层没有被间隔层支撑，并可弹性地变形。在孔的外面，间隔层支撑弹性层并防止变形。这样，间隔层用以机械地隔离检测器的传感区。在一种惯用的结构中，间隔层可以由刚性材料例如印刷电路板基底材料形成。

弹性层的硬度典型地大于3,000N/m，并且可以大于5,000N/m。在本发明的实施例中，弹性层的硬度大于30,000N/m，特别地，大于50,000N/m，更特别地，大于300,000N/m，甚至更特别地，大于500,000N/m。

弹性层的硬度定义为在给定点施加到弹性层的力与弹性层在那点响应该力的变形的比。为了该应用的目的，硬度可以在检测器的传感区中的弹性层的最大弯曲的点确定。

为了提供必要的硬度，弹性层的杨氏模量典型地大于2GPa，并且可以大于5GPa。在本发明的实施例中，弹性层的杨氏模量大于10GPa，特别地，大于20GPa，更特别地，大于40GPa，甚至更特别地，大于80GPa，并且可以大于160GPa。类似地，弹性层的杨氏模量通常小于500GPa，特别地，小于300GPa。用于弹性层的适合的材料包括不锈钢和铝。

在特定的实施例中，第一和第二电感部件相互重叠面积与第一和第二电感部件的间隔的平方的比可以大于300∶1，特别地，大于1,000∶1，甚至大于3,000∶1。在电感部件形成为螺旋、盘绕或者类似的结构的场合，电感部件所占的面积被认为是部件的最外边缘所限定的面积而不是部件本身的表面积。

从广的方面来看，本发明提供一种用以测量变形的设备，包括至少两个分隔开相对小的距离的层状的部件。所述层状的部件的至少一个是电感绕组(winding)，并且变形使得至少在两层状的部件部分之间的相对运动。

本发明延伸到包括根据本发明的检测器的触摸传感用户输入设备。所述输入设备可包括多个检测器。该检测器可以具有公共的弹性面板。输入设备可包括远离第二电感部件的安装到弹性面板的表面的显示装置。

附图说明

现将仅通过例子并参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出根据本发明的实施例的按钮键盘的平面视图；

图2是图1的实施例沿线A-A的截面视图；

图3示出相对于沿着测量轴的位置在测量的X轴的每单位距离的电感系数变化率的图表；

图4是在印刷电路板上的电感器的平面视图；

图5示出根据本发明的实施例的电子电路的示意性视图；

图6示出用于硬的面板的图1的实施例的变体的截面视图；

图7示出本发明的环形的实施例的平面视图；

图8示出本发明的触摸屏实施例的截面视图；以及

图9示出与弹簧共同操作的本发明的实施例的截面视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施例的装置的平面视图，其是用户界面形式的，包括按钮键盘。由不锈钢制成的实质上不透性的结实的保护装饰面板1印有(或者蚀刻)用户图形。出于安全、卫生和可靠性的原因，面板1保护键盘的内部免遭环境影响。用户在面板1上用其手指2按压。当被用户推压时面板1弹性变形一小的量，并在其后返回到其初始状态。检测器位于按钮的后面，但为了清楚并未示出。面板1可由多种材料制成，其优选地是耐用且结实的但具有一些弹性属性。优选的材料的例子是钢、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)模制物、铜、铝、木材、玻璃纤维、印刷电路板PCB基底等。有利地，传导材料还屏蔽电磁辐射。优选地，所述材料具有小于270GPa的杨氏模量(在室温测量)。优选地，不使用非常硬的材料，例如陶瓷、金刚石、碳化钨，因为用户引起的变形将会非常微小。

图2示出沿图1的线A-A的剖面，其中层状的导电靶3例如电镀铜盘附着到面板1的下面。优选地，靶3是高传导的材料，例如铜或铝。面板1的变形使得靶3的一些向着AC赋能电感器4运动，从而改变其电感系数。在该例子中，变形使得向着电感器4运动，但在其它安置中，变形可以致使离开电感器4运动。因此，电感器4的电感系数值根据变形而变化。电感器4形成为在双层印刷电路板(PCB)5的上层上的螺旋迹线。PCB基底5承载电感器4迹线并作为机械屏障以防止大的塑性变形或者损坏。该屏障可通过使用厚的坚固的PCB5、其它机械约束或者用环氧树脂、膨胀泡沫等背部填充而得到加强。这样的构造在检测器必须经受冲击的情况下是有利的。靶3的总变形所引起的电感器迹线4的短路可以通过在电感器4上的薄的绝缘层而得以防止。间隔件13是具有孔洞的片以允许变形。间隔件机械地帮助隔离每一个按钮与其相邻物以避免误读。

图3示出相对于沿着X轴的靶3的位置关于靶3在X轴所运动的距离电感器的电感系数变化率(dΔL/dX)。注意到，在电感器4附近变化率或灵敏度较大。传统的电感检测器安置通常致力于最大化测量范围并错过非常接近电感器的绕组4的灵敏度所呈现的机会。这在检测轻的手指压力在硬的面板1上所引起的非常小的变形方面是重要的。对于1单位的间隔距离，靶3和电感器4的重叠面积应该至少150平方单位，并优选地大于1000平方单位。间隔距离的确切选择取决于应用的美感、尺寸、面板材料等，但是，在给定尺寸的电感部件之间的间隔越小，检测器的灵敏度越高。注意到，图1和2中的安置测量变形而不是位移，因为从使得靶3的小部分显著变形或者从使得靶3的大部分轻微变形产生的信号相同。在变形非常小的应用中，优选地，检测器安置为用非常薄的绝缘膜例如清漆涂层间隔开电感器4和靶3，并且变形产生更大的间隔。这样的安置确保检测器在其范围的最灵敏部分工作。

图4示出与在其上的靶3(粗略地示出)共同操作的双层PCB上的电感器4的平面视图。电感器4形成为实质上在一PCB层5上的螺旋绕组。电感器电路4通过使用电镀通孔和连接7将最内的迹线引出而实现。在该实施例中，连接7由在电路板的下面的传导迹线形成。

发明人发现基于下面的情况的安置工作良好：0.3毫米厚的不锈钢面板1；以25毫米节距间隔的按钮；实质上在0.8毫米厚的FR4级PCB基底5一侧上的外径23毫米，迹线和间距宽度0.25毫米的平面螺旋绕组电感器4；0.25毫米厚的FR4级PCB间隔器13以及为23毫米直径的蚀刻铜盘的靶3。

图5示出简化的电子电路示意图。该电路包括电源、频率发生器、电感器4、微处理器和电输出。电源典型地为5伏DC，10毫安，100％占空因数。频率发生器包括振荡器以产生从100kHz-10MHz的信号，但优选1-5MHz。有多种技术可测量电感，包括电感电桥、电流测量或者储能电路频移。优选地，为了提供测量稳定性，电感值与另一电感器比较以测量电感比率的变化。参考电感器可以是一个或多个其它按钮的电感器4。微控制器优选地具有带模拟输入的闪存，并被编程以适合应用。可需要一些其它的模拟电子元器件，例如放大器和滤波器，但其没有示出以便清楚。微控制器可以专门用于检测器系统，但还可执行其它的功能，例如显示或者电机控制。图3示出到主机系统的电输出。优选地，使用串行数据流，但是，也可使用模拟输出，例如0-5伏或者4-20毫安。电子电路可增加喇叭以当传感到输入时提供反馈。声音反馈帮助补偿触觉反馈的缺乏，但具有可编程到期望的音调、音量等优点。

电子电路通常将控制多输入。这可通过增加一个或多个多路复用器而实现，其可简单地顺次转换通过每个检测器或者使用基于最常见或最新的检测器的更复杂的算法。

在一些应用中，可需要硬的弹性面板。在这样的应用中，用户交互作用所引起的变形是微小的。这些小的变形可以通过多种机械方法放大。图6示出用于通过使用杆8放大硬的面板1中的小的变形的安置的剖面视图。杆8优选地由PCB材料的舌状物或者悬臂制成，其接触面板1的背面。靶3例如铜盘附着到杆8。杆8从按钮区域后面延伸。在悬臂上的隆起部9接触面板1的背面，用户很可能接触那里。其它机械装置包括，例如，当其被按压接近其中央时形成碟形状的盘。

通过电镀产生靶3是有利的，因为这样的技术可以成本有效地与电蚀刻结合以在面板1的顶部或底部侧产生机械脊、柱或者沟。这样的图案可用于优化给定手指压力产生的变形，而仍留下较厚的材料的区域来防止机械损坏(在当面板被按压得厉害时)。这样的机械图案还可通过塑料注射模制或机加工方法制造。

图7示出根据本发明的第二实施例的延伸触摸检测器形式的安置在环带上的检测器，其中用户可在沿着直线、曲线或者圆的点施加力。这样的环形安置已经用于便携音乐播放器。最大变形发生在用户沿着圆施加力的地方。变形可延伸越过数个检测器。从每一个检测器的读数的比较可用于计算施加力的位置。在这样的构造中，将连续靶3分开成数个单个的靶3以在相邻的检测器之间提供更大的区别是有利的。

本发明的替代实施例是操纵杆(joystick)。操纵杆附着到面板1以使得用户与操纵杆的相互作用(包括向上运动)使得面板变形。相互作用可以通过比较来自安置在面板的多个点上的多个检测器的读数而被传感到。

本发明的再一实施例是检测器围绕其边缘安置的触摸屏。来自多个检测器的输入用于确定用户在屏幕上的输入。例如，四个检测器可位于保持在弹性框中的屏幕的每一个角。在屏幕的不同点的手指位置可以通过比较四个检测器的读数计算。这可在开始时通过使用示教模式然后获取电子存储器中的数据作为查询表而进行。

图8示出本发明的触摸屏或板形式的又另一实施例的截面视图。用户使得在显示器10后的层状靶3变形，并且通过比较来自检测器的二维图案的读数检测用户输入的位置。检测器可安置在电路板的多层上并重叠。靶3可以是二维图案中的多片靶3或者连续的片。有利地，检测器的性能实质上独立于屏幕的化学组分和在屏幕上电力地进行的是什么。这对有机发射和塑料电子类型显示器是有利的，因为显示器和检测器阵列都可以通过印刷产生。

本发明的实施例可用于测量跨过更大距离的位移，其通过在面板1和移动大的距离的主体12之间安置弹簧11。图9示出这样的安置的截面视图。随着主体12位移到更接近面板1，变形将是大的，因为弹簧紧紧地压缩，反之亦然。弹簧11可以安置的以使得当其远离时其将拉而不是推面板。这样的安置对于测量气缸中活塞的位移、减震器和空气或者流体阻尼器的位移是有用的。

有许多可以用于电感式检测器的电感元件的安置，其通过使用线圈、绕组、靶、电媒介、共振靶等的不同的排列与组合。例如，迄今所述的靶3可以用短路无源电路或者AC赋能绕组替代。安置可以通过使用相对于变形的自感系数或者互感系数的变化而操作。

至此，已经描述实施例，其中变形是在环境压力下的气体腔室中。或者，腔室可以充填压力气体、液体或高弹性材料例如橡胶。这些充填物可用于防止总变形并提供变形后的恢复力。弹性片在二维安置中是特别有用的。

电连接到检测器可以通过变压器耦合进行。这样的安置允许检测器布置在主体上，其相对于电子元器件控制件而运动。可以使用这样的安置以例如测量由骑车者施加到自行车的每一个踏板的力以为了训练目的。电子控制件位于自行车的车架上；检测器被安置以测量由骑车者施加到每一个踏板上的力或者力矩，电力供给通过在踏板曲柄的变压器连接进行。

包含电感4的PCB 5还可承载其它电子元件，例如发光二极管(LED)或者显示器。本发明对于与传导墨水共同操作的印刷电致发光(EL)墨水具有特别的效用。本发明对于传统地利用膜开关的EL装置具有特别的效用。

在具有多个检测器的安置中，各检测器不必单个地连接。相反，在电感变化足够大的地方，可使用电感跨排和列变化的检测器阵列。

在使用多检测器的系统中，电噪声或者振动的效果可通过利用包含在软件中的共模抑制算法排除。在该算法中，多个检测器共有的读数被忽略，而只有那些不同于其它检测器的检测器读数被作为信号发出。

在按钮1中，单用户输入的特征可以被示教，例如压下时间、返回时间等。人员将手指保持就位的特征也可被示教。再者，力的大小也可输入到主机系统以增加或减少控制参数改变率。

当变形高度本地化时，可能仅有一小部分靶3向着电感器4变形。在这种情况下，优选避免将使得所有的靶3相对于电感器4运动的机械安置所致的低信号。在图2中，靶3可以中心销就位而不是跨过其整个区域附着。结果，任何变形可使得整个靶3位移。

电感器4可用中心分接点产生以使得测量可跨过整个电感器或者仅电感器内部或外部进行。该内部或外部部分可用作参考电感器以便比率(ratiometric)测量。

尽管在先前的实施例中使用用户的手指2，但是，铁笔、钢笔、键或者其它工具也可导致变形。用户也可通过使用其身体的任何部分施加力。

优选地，电子电路位于接近电感器4以避免任何电磁兼容性(EMC)问题。如果电路超过数厘米距离，那么应当在电路和检测器之间使用小的环形面积导体安置以避免EMC问题。这可以通过使用双绞线电缆完成；安置迹线在PCB5的不同层或者定位迹线在其外层是铜面的PCB5的内层上。

尽管优选的面板材料将不会太硬，但是，已经发现也可使用相当硬的材料例如玻璃，只要其用作薄的层片。例如，0.3毫米的玻璃与25毫米节距的键工作良好。为了产生较大的变形，面板1不必在其整个侧面附着。

在一些安置中，如果面板1充分传导，单独的传导元件3不是必需的，其可用作结合的面板1和靶3。在卫生很重要的应用中，铜或银是特别有利的，因为用这些材料制成的用户界面1具有优越的抗细菌或抗微生物属性。

电感器4可以以很多方式构造，包括在PCB的多层上的绕组；薄饼类型的绕组；印刷传导墨；具有将最内层绕组引到外面的绝缘跨接线的单层PCB等。

检测器可以安置的以通过测量当螺纹部分在螺纹壳体中转动时其所引起的变形测量转动位置。

当变形同样使得电接触打开或者闭合时，检测器可以安置为组合的检测器和开关。这样的接触可以与检测器的层状绕组结合，并可以，例如，发出最大变形的信号。

测量电感器的电阻可用来测量温度。

检测器还可用于测量许多参数，包括压力、重量、振动、流动等。检测器在流动测量方面具有特别的效用，因为靶3可以安置为在其两侧具有流体的膜以允许小的差分压力和由此的流动的精确测量。本发明的应用包括，但不限于，按钮、摇臂按钮、位置传感器、接触式传感器、捏缩传感器、冲击传感器、一维用户输入、二维用户输入、多维用户输入、加速度计、操纵杆、婴儿/摇篮监视器、触摸屏、触摸板、线性位移传感器、转动位移传感器、重量传感器、应变传感器、振动传感器、液面传感器、冲击传感器、促动器传感器、压力传感器、差分压力传感器、接近式传感器、扭矩传感器和流量传感器。

总之，一种用于用户界面的设备，其用以电感地测量主体1的变形，包括至少两个层状的传导元件3，4，至少其一是AC赋能电感器4，其中，变形导致至少两层状元件3，4之间的相对轴向运动，并且最大变形距离受限制以防止损坏。

Claims (11)

1.一种用于用户界面的压敏检测器，包括：

第一电感部件；

第二层状的电感部件；和

弹性面板，

其中所述第一电感部件和所述第二电感部件以面对关系安置并且相互间隔开；

其中所述弹性面板安置的以便朝向或背离所述第二电感部件弯曲运动，并且所述第一电感部件安置的以便与所述弹性面板一起朝向或背离所述第二电感部件运动，

由此，在使用中，施加到所述弹性面板的压力导致所述第一电感部件相对于所述第二电感部件运动，以及随后所述第一和第二电感部件至少其中之一的电感系数的变化，

所述检测器还包括至少一个电子电路用于检测所述电感系数的变化；所述电感系数的变化表示由用户施加在所述用户界面上的压力；

其中第一和第二电感部件之一是形成为连续的片的无源元件并且是大的导体或者高磁导率的材料，电感部件之另一包括多个电感线圈；当被用户推压时所述连续的片弹性变形并在其后返回到其初始状态；以及

其中所述第一电感部件也是层状的，第一和第二层状的电感部件以面对关系安置并且相互间隔开，

并且

其中所述检测器包括间隔层，所述间隔层具有多个限定检测器的传感区的孔；每个传感区包含所述多个电感线圈的一个电感线圈；在所述孔的外面，所述间隔层支撑所述弹性面板，以机械地隔离检测器的所述传感区；

其中检测器包括参考电感器；从而电感值与所述参考电感器的电感值比较从而测量电感比率的变化。

2.如权利要求1所述的检测器，其中，所述第一电感部件是大的导体，所述第二电感部件是多个电感线圈。

3.如权利要求2所述的检测器，其中，所述第一电感部件由所述弹性面板形成。

4.如权利要求1或2所述的检测器，其中，所述第一电感部件安装到所述弹性面板。

5.如权利要求1或2所述的检测器，其中，所述第二电感部件形成为沉积在基底上的层。

6.如权利要求5所述的检测器，其中，所述弹性面板安装到所述基底。

7.如权利要求1所述的检测器，其中，检测器具有设置在所述第一和第二电感部件之间的间隔层，用以从所述第二电感部件电绝缘所述第一电感部件。

8.如权利要求1所述的检测器，其中，所述多个孔限定传感区；在所述孔中，所述弹性面板未由间隔层支撑。

9.一种触摸传感输入装置，包括如前述权利要求任一项所述的检测器。

10.如权利要求9所述的输入装置，包括多个如权利要求1至8任一项所述的检测器，所述检测器具有公共的弹性面板。

11.如权利要求9或10所述的输入装置，包括远离所述第二电感部件的安装到所述弹性面板的表面的显示装置。